Nanokomposite - inspiriert von der Natur

Leichtgewichtige nachhaltige Strukturmaterialien unterstützten den Fortschritt bei vielen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrofahrzeugen, biomedizinischen Implantaten und Windkraftanlagen. Eine zentrale Herausforderung ist die Problem mit der Festigkeit, an der es porösen Materialien von Natur aus mangelt. Wissenschaftler starteten das EU-finanzierte Projekt "Advanced composites inspired by nature" (ACIN), um neue Prozessverfahren für biologisch inspirierte Nanokomposite auf Keramikbasis zu entwickeln, bei denen die in der Natur zu beobachtenden Zähigkeitsmechanismen mit bislang noch nie erreichten mechanischen Eigenschaften nachgebildet werden.

Die Forscher konzentrierten sich auf eine Kombination aus Freeze Casting und Spark-Plasma-Sintern. In den letzten Jahren hat das Freeze Casting insbesondere für Keramik und Keramik-Hybrid-Polymer-Komposite Interesse geweckt.

Bei diesem simplen Verfahren wird eine Suspension eingefroren und dann das Wasser sublimiert, um poröse Strukturen zu erzeugen. Das Ganze kann bei ausgezeichneter Strukturkontrolle durchgeführt werden. Spark-Plasma-Sintern ist ein revolutionär neuer Hochgeschwindigkeits-Pulververfestigungsprozess. der auf der Wirkung der Eigenerwärmung innerhalb des Pulvers beruht. Im Vergleich zu konventionellen Sinterverfahren sind niedrigere Temperaturen für kürzere Zeiträume erforderlich.

Die Wissenschaftler untersuchten zunächst die Auswirkungen der Prozessbedingungen und der Suspensionszusammensetzung auf die Architekturen von gefriergegossenen Gerüsten aus Keramik und Materialien auf Nanokohlenstoffbasis. Die Erkenntnisse lenkten die Entwicklung von Verfahren, mit denen keramische Schichten (Lamellen) beim Einfrieren ausgerichtet werden können. Die Arbeiten mit Keramiken und nanostrukturiertem Kohlenstoff zogen die Entwicklung von hochleistungsfähigen, porösen Siliziumkarbidstrukturen mit unterschiedlichen Morphologien nach sich. Außerdem entwickelten die Forscher ein neuartiges Verfahren zur Fertigung hochstrukturierter und elektrisch leitfähiger Keramik-Kohlenstoff-Komposite.

Man richtete die Aufmerksamkeit im Folgenden auf den Einsatz des Spark-Plasma-Sinterns, um die Dichte der Keramik-Kohlenstoff-Verbundstoffe zu steigern. Das Team stellte mit Erfolg perlmuttartige Ziegel- und Mörtelstrukturen mit keramischen Ziegeln und dünnen Kohlenstoffschichten her. Zum Abschluss entwickelten die Forscher komplexe zelluläre Netzwerke auf Basis von Graphen, die über abstimmbare physikalische Eigenschaften verfügen. Das Team untersuchte deren Potenzial als sensible, elektrisch leitfähige, hautähnliche Nanokomposite mit selbstheilenden Fähigkeiten.

Die von der Natur inspirierten Fortschritte von ACIN auf dem Gebiet der porösen und stark gesteuerten Keramik- und Nanokohlenstoffkomposite und -bearbeitung ebnen den Weg hin zu hochfesten Multifunktionssystemen für eine Vielzahl von Anwendungen. Sie könnten dazu beitragen, einige der wichtigsten Herausforderungen der Energieproduktion und des Verkehrs, bei orthopädischen Implantaten und sogar elektronischer Haut anzugehen.